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1、船舶三维声弹性理论 多年来，国内外对船舶结构流固耦合振动和声辐射特性问题开展了许多理论 和试验研究。 许多研究针对大为简化的平板、 加筋平板、加筋圆柱壳等典型结构 形式，在无界均匀介质中的振动与声辐射； 试验研究亦多为缩尺度模型机理试验。尽管该领域的研究取得了很大的进展， 如何科学地反映流体与水中结构在振 动与声辐射过程中的耦合作用， 分析说明一艘船舶在不同水深、 不同潜深、 不同 方位和距离上形成辐射声场的分布特征和相互之间的差异， 说明振动、 船体近旁 自噪声和远场辐射噪声之间的传递和演变规律， 成为船舶振动噪声领域关注的一 个问题。这要求进一步开展一个适于任意形状的、 具有复杂内外结构的
2、船舶， 能 计及自由液面、 海底及航速影响， 具有可接受的工程计算精度， 计算量能为现有 船舶研究与设计部门的计算机系统能力承受的船舶三维声弹性计算分析理论和 方法。本文正是针对该工程背景，在 Wu( 1984)建立的浮体三维水弹性力学理论 的根底上， 有所创新和拓展， 开展建立了船舶三维声弹性理论及计算方法。 具体 包含六局部内容。第一局部，通过引入计及自由液面效应的理想可压流体 Green函数，并基于 Price-Wu 广义流固界面条件，建立了带航速和考虑自由液面的均匀声介质中的 船舶三维声弹性理论。该理论既适用于声辐射问题，也适用于声散射问题。由于在船舶声弹性理论中计入了航速的影响， 理
3、论上更加完备。 量阶分析和 数值计算说明， 航速对船舶流固耦合振动及水下声辐射会有影响， 但其影响主要 限于低频域及近场区。第二局部， 针对我国近海的实际情况， 重点考虑浅海海底与水面的影响， 暂不计及海水密度与声速等的变化与分层， 将均匀声介质中的船舶三维声弹性理论 与海洋声传播理论相结合， 引入 Pekeris 水声波导模型， 建立了有限水深海洋声 学环境中的船舶三维声弹性理论及分析方法。 详细论述了耦合求解三维结构声弹 性响应的动力学方程和水声传播方程的方法与步骤， 并针对常见浅海的特征， 给 出了 Pekeris波导Green函数的近似级数表达式，有效降低了数值计算的复杂度、 减少了计
4、算量。第三局部，为提高上述船舶三维声弹性理论及分析方法的工程实用性， 建立 了三种配套的有助于增加计算效率和解决常用工程问题的专用计算方法：其一， 船舶声弹性子结构别离与集成方法SSSI方法和解析/数值混合子结构方法MAN方法。建立了能有效提高计算效率，特别适用于解决船体内部子结构如 横舱壁、 铺板、 基座等 振动噪声传递效果分析及优化的船舶声弹性子结构别离 与集成方法。其主要思想是： 将主船体与船内子结构别离， 采用模态综合超单元方法形成 子结构的输入输出自由度缩聚动刚度矩阵， 采用三维声弹性方法实现主船体与水 介质的流固耦合求解， 通过边界连接条件完成主船体与子结构的综合集成。 进而 针对
5、潜艇类水下船舶主体结构的特征， 采用两端简支单层加肋圆柱壳解析计算模 型来描述主船体结构，应用解析方法求解流固耦合作用，建立了解析 /数值混合 的声弹性子结构方法。该方法可有效提高计算效率和扩展计算频段范围。 其二，敷设声学覆盖层的 船舶三维声弹性分析方法。通过针对船舶外表敷设声学覆盖层降低声目标强度和水下辐射噪声这一工程问 题，进一步建立了敷设声学覆盖层的船舶三维声弹性力学理论和计算方法引入描述声学覆盖层内外外表间声振传递的四端参数法，实现“船体结构-声学覆盖层-水介质的声振耦合求解。其三，双流域耦合的三维声弹性分析方法。 针对双层壳水下船舶存在舷间水 耦合的特点， 进一步开展了双流域耦合的
6、船舶三维声弹性计算方法， 扩展了工程 应用的范围。第四局部，针对简单源汇分布法简称简单源方法中不规那么频率问题，提 出了虚拟阻抗封闭曲面法CVIS方法。以往在声弹性领域的边界元计算中较多 地采用 Helmholtz 积分方法，先后曾开展了多种应用 Helmholtz 积分方法时处理 不规那么频率处解的非唯一性问题的方法。采用简单源汇分布法求解声场时同样存在不规那么频率问题。 本文根据简单源 汇分布法中不规那么频率产生的机理， 提出了在浮体内部的虚拟流场中引入一个虚 拟的阻抗封闭曲面， 用于吸收声振能量， 抑制内部虚拟流场的共振， 有效地消除 了声学问题求解时易出现的不规那么频率。会聚上述内容，
7、形成了一套较完整的可用于分析复杂船舶结构低中频段振动 与声辐射的声弹性理论框架、 数值方法和应用工具。 在此根底上， 编制了数值计 算程序，作为一个单独的模块声学计算模块并入到大型水弹性计算软件 THAFTS。第五局部， 本文采用算例与解析解的比对和试验验证的手段， 对理论、计算 方法和计算程序模块的正确性、 实用性进行了考核验证。 其中的试验验证包括开 阔有限水深环境中小尺度舱段结构的声辐射试验验证和水池内实尺度船体舱段 结构振动响应及水中声辐射的试验验证。比对和验证的结果说明， 本文所述的理论方法和计算程序能有效应用于复杂 船舶结构的声弹性响应分析预报。第六局部，围绕在船舶辐射噪声工程领域
8、人们 密切关注的问题，利用本文建立的理论、计算方法和软件开展了选取不同采样时 段声压信号对船舶声源级评定的影响、 不同距离处的声压值对船舶声源级评定的 影响、不同水深和潜深环境对船舶辐射噪声的影响以及不同方位的声压特征对船 舶声源级评定的影响四方面的应用研究。据于该研究的数例，建议了可操作性较强、能稳定地反映船舶辐射噪声频谱 特征及噪声级评定结果的采样和声压信号处理方法；给出了不同水深和潜深环境 中船舶近远场辐射声的分布特征、 可供参考的初步规律；提出了利用本文的方法 和程序计算一艘船在不同水深和潜深环境中的辐射噪声频谱，进而归纳出该船在给定频段内的总声级在不同水深与潜深中换算关系的修正图谱的建议，并给出了两幅可用于把例如船在浅水或小潜深状态下的噪声级采样评定结果修正到其它 水深潜深的图谱的例子。最后，给出了应用本文开发的计算软件预报多种机械设 备鼓励引起的实船结构振动和水下辐射噪声的简要例如，与测试结果作了比对， 说明了方法与软件的可用性。目前，该计算方法与软件已在多个工程工程中应用